(57)【要約】【課題】プラズマ波の位相が合わないことによりプラズマ波強度が低下すること。【解決手段】半導体基板５と、複数のナノワイヤ状の半導体層４と、絶縁膜６と、ゲート長をプラズマ波の周期の１／４とした複数のゲート電極１と、複数のナノワイヤに対応した複数のドレイン電極３と、ソース電極２を含み、複数のドレイン電極間を注入同期により電磁結合することで逆位相によるキャンセリングを抑制してプラズマ波の強度をナノワイヤの本数倍する。【選択図】図１
2006237313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、半導体層と、絶縁膜と、複数のゲート電極と、ドレイン電極と、ソース電極を含み、半導体層の断面の一辺がプラズマ波の波長の半分以下であり、前記ゲート電極がプラズマ波の波長の周期で配置されており、前期ゲート電極のゲート長が周期の１／４であり、複数の半導体層が平行して配置されており、複数の半導体層それぞれに形成されたドレイン電極に、導電性を示す領域が形成されており、前記伝導性を示す領域同士が電磁波により結合していることを特徴とした電磁波発生装置。
【請求項２】
複数のゲート電極それぞれに導電性を示す領域が形成されており、前記伝導性を示す領域同士が電磁波により結合していることを特徴とした請求項１記載の電磁波発生装置。
【請求項３】
ドレイン電極およびゲート電極に導電性を示す領域が形成されており、前記伝導性を示す領域同士が電磁波により結合していることを特徴とした請求項１および２記載の電磁波発生装置。
【請求項４】
電磁波発生部が電磁波を反射する空洞内に設置され、前記空洞の電磁波出射部に多孔構造を有することを特徴とした請求項１から３記載の電磁波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は１ＴＨｚ程度の高周波領域で動作する半導体素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体素子は、主に素子構造を微細化することによりその動作速度を向上してきた。たとえば高電子移動度トランジスタは２次元的に分布した２次元電子ガスを利用して不純物散乱を効果的に抑制しているが、数百ＧＨｚまでの高速動作が報告されている素子のゲート電極の形成には少なくとも３０ｎｍ以下の超微細加工技術が要求される。これは信号伝達に電荷（電子）移動を利用しており、その移動速度は材料の飽和速度で制限される為、チャネル走行時間に起因する遅延を免れることができないためである。
【０００３】
この課題に対する従来技術として信号伝達に直接電荷移動を伴わない半導体素子がいくつか提案されている。一つはM. Shurらが提案したＦＥＴチャネル内の高濃度電子流体のプラズマ振動を利用する素子である(非特許文献１および２参照)。このプラズマ振動の振動周波数に対応した電子の粗密波を以降はプラズマ波と呼び、チャネルにプラズマ波が形成される素子をプラズマ波素子と定義する。図１０は、非特許文献１に示されるプラズマ波素子の構造である。高電子移動度電界効果トランジスタ（ＦＥＴ、ＨＥＭＴ）と同様な構造を有しており、二次元電子ガス５４にプラズマ波が形成されるとしている。非特許文献２では、図１０の二次元電子ガス54に１ＴＨｚ程度で振動するプラズマ波が形成されて、微弱な（数ｎＷ程度）電磁波が放射されることを観測している。
【０００４】
また井出下は図１１に示される正孔と電子、あるいいは重い電子と軽い電子からなる重い流体と軽い流体の二流体が共存する系で起こる二流体不安定性現象を利用した電磁波増幅素子を提案している（特許文献１参照）。櫛型電極構造の遅波回路６１を用いることで、入力部６５に導入したテラヘルツ波が増幅されて出力部６６より取り出されるとしている。
【０００５】
本発明では図１(a)に示したように複数の周期的なゲート電極１を設けている。一方、プラズマ波を発生するという目的は有していないが、一般的技術水準を示す周期的電極構造素子として、X.G. Peraltaらによる光伝導素子(非特許文献３参照)を図１２（ａ）に、A.M. Hashimらによるコンダクタンス変調素子(非特許文献４参照)を図１２（ｂ）に示しておく。
【０００６】
また、本発明では図１(b)に示したようにアンテナ素子１１を用いて素子内部で注入同期を行っている。プラズマ波素子ではないが、FETなどの発振素子を用いて注入同期を行うアンテナ構成として、藤井らによる送信用アクティブアンテナ（特許文献２参照）を図１３に、ガンダイオードを用いて導波管の中で電力合成を行う共振器（特許文献３参照）を図１４に、注入同期を行う一般的技術水準として示しておく。
【特許文献１】特開平８−１３９３０６号公報
【特許文献２】実開平６−７３９０９号公報
【特許文献３】特開２０００−７７９４６号公報
【非特許文献１】Phys. Rev. Lett. V71(1993)p2465
【非特許文献２】Appl. Phys. Lett. 84(2004)2331
【非特許文献３】Appl. Phys. Lett. 81(2002)1627
【非特許文献４】Ext. Abst. 2004 Int. Conf. Solid State Dev. and Mat. (2004)664
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１および２において、理論検討では高周波での動作が可能とされているものの、実際には電磁波が極めて微弱であったり、動作範囲が限定されている。また、特許文献１では構造が極めて複雑で、かつ外部から増幅するための電磁波を導入する必要があるといった問題があり、実用性に乏しかった。特に、非特許文献２による構造では、外部から光などの照射を行わなくでも高周波での電磁波発生が観測された初めてのケースではあるが、出力は数ｎＷと極めて小さくなっており、実用化を阻む要因の一つとして考えられる。
【０００８】
非特許文献３および４に示した構造は、周期的な電極構造となっているが、これらは電磁波を発生することを目的としておらず、外部から照射されたプラズマ波を受信するために、プラズマ波と効率的に結合することを目的としている。そのため、ＦＥＴのゲート長に相当する電極の幅は電極の周期の半分である。
【０００９】
ＦＥＴのチャネル内でのプラズマ波の屈折率の検討を行った結果、屈折率が３００程度ときわめて大きくなることを明らかにすることができた。その結果、例えば非特許文献３では、１本の電極下部には1〜2波長のプラズマ波が励起されていると考えられる。また、非特許文献４では、電極下部に形成されるプラズマ波の波長は0.15波長となっており、プラズマ波とまったく結合していないと思われる。非特許文献４では、期待されていた負のコンダクタンスも観測されていない。このように、ゲート電極が周期的に形成されていても、プラズマ波の発生を目的としていない場合には、プラズマ波の波長に対してマッチングするように電極の周期や幅は特定の値をとっていないことがわかる。
【００１０】
そこで、ゲート電極をプラズマ波の波長の周期Λで配置するとともに、ゲート電極の長さ（ゲート長Ｌ）をΛ／４とするとともに複数のナノワイヤを配置することで、ゲート電極の本数とナノワイヤの数に比例して電磁波の強度を増大することにした。
【００１１】
しかしながら、複数のナノワイヤを配置した場合、ナノワイヤが均一性良く作製されなかった場合には、ナノワイヤのチャネル領域に印加される電圧のばらつきによって、プラズマ波の速度が変化することで、屈折率が変化し、ひいてはプラズマ波の位相も変化してしまうことがわかった。図４に、複数のナノワイヤを配置した時のプラズマ波強度の概念図を示す。図４（ａ）に示したように、ドレイン電極が共有されている場合は、ナノワイヤに構成上のばらつきがあって、プラズマ波の位相がわずかでもばらつくと、位相が反転したナノワイヤのプラズマ波の出力がキャンセルされて出力が低下するという問題があった。図の場合は５本のナノワイヤがあるが、電磁波の出力は１本分のナノワイヤからの出力しかえられない。ナノワイヤの幅が大きい場合は、この位相の反転はナノワイヤと電極間の絶縁膜の厚みが部分的に異なることに起因するため、絶縁膜の均一性を極めて精密に制御することで改善されるが、膜厚の均一性が多少ばらついても位相が変化しないデバイス構造が、歩留まりを向上するためには必要であった。また、高出力化のためにナノワイヤの断面積を小さくした場合には、ナノワイヤの断面積のばらつきによる影響が増大して、キャリア密度のばらつきが大きくなるという問題があった。ナノワイヤの幅がプラズマ波の波長の半分程度である場合には断面積のばらつきの影響を受けにくいが、幅が100nm以下になると幅を小さくするに従ってキャリア密度が増加する。そこで、特にナノワイヤの幅が100nm以下の場合に、ナノワイヤの幅のばらつきの影響を受けにくい本発明のデバイス構造が必要であった。
【００１２】
本発明は前記従来技術の課題に鑑みて、安定に結合したプラズマ振動を利用し、新規の動作原理に基づく半導体素子を高い歩留まりで提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記従来の課題を解決するために、本発明の電磁波発生装置は、図１に示したように、複数のナノワイヤで構成し、各ナノワイヤにはドレイン電極を個別に設置しており、各ドレイン電極間は特定の波長の高周波成分のみ導波するように細長い導線でできた容量結合部１０により容量結合している。あるいは、各ドレイン電極間はL成分をもつフィルタ構造により高周波成分をカットして、DC成分のみを印加できるようにしておき、アンテナ素子１１で容量結合されている。各ナノワイヤに発生したプラズマ波による電磁波はドレイン電極に形成した容量結合部１０あるいはアンテナ１１を通じて近傍に放射される。その結果、図４（ｂ）に示したように位相が一致したアンテナ間で注入同期が生じるので、位相の一致したアンテナ数をnn1とすると、プラズマ波スペクトルのピーク強度PPは１本の場合に比べて(nn1)3/2倍に増大する。図４（ｃ）に示したように、(ｂ）の場合にはそれぞれの位相において注入同期が生ずるので、ナノワイヤ全体ではマルチモードのプラズマ波が発生することになり、位相の反転によるキャンセルが生じなくなる。その結果、プラズマ波の積分強度が低下することが無くなり（P∝Σnn1）となることがわかった。
【００１４】
さらに、図８に示したように、ドレイン電極に形成したアンテナ素子からの電磁波を用いて、ドレイン電極とゲート電極間で注入同期を行うことで、位相の整合性を高めて、マルチモードの抑制を可能とした。
【００１５】
図１３に示した特許文献２の構造では、発振素子８５のゲート電極間で結合回路８２を用いて注入同期を行っており、アンテナ８３を用いた注入同期を行っているわけではない。本発明ではドレイン電極同士を電磁結合して注入同期を行っている点が異なる。その結果、本発明では共振器８４や結合回路８２が不要となり、小型化が可能となる。
【００１６】
また、図１４に示した特許文献３では、基本モード導波管９４中にガンダイオードを設置して、反射板９３で反射された電磁波を再度基本モード導波管９４に結合させることで、注入同期を行って電力合成を行うものであり、ガンダイオードはそれぞれの基本モード導波管９４内に１個ずつ配置されている。本発明では、各ナノワイヤを同一の基板上に集積化しており、導波管アレイを用いなくてもドレイン電極間に高インピーダンスの導線を配置することにより電力合成を可能としたものであり、導波管を用いる場合に比べて極めて小型化することができる。また、ガンダイオード全体に電磁波を結合するのとは異なり、本発明のプラズマ波デバイスの場合はドレイン電極を開放としているので、すべてのナノワイヤのドレイン端が電磁波の振幅が最も大きい状態（腹の部分）となっており、非常に高い効率で電磁結合が実現される。
【発明の効果】
【００１７】
前述のように本発明は、複数のナノワイヤ構造を形成して複数のゲート電極を共有化する電磁波発生装置において、注入同期をおこなうことで、プロセスのばらつきなどによるプラズマ波の位相のばらつきがあってもプラズマ波強度の加算を可能とするとともにＱ値を増加することで、高出力の電磁波発生素子を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）  ＜ナノワイヤの幅が２０ｎｍ以上の場合＞
図１は、本発明の実施の形態１における電磁波発生素子の概略図である。図１以降においても、同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２０】
図１(a)および図３(a)のＡ−Ａ‘断面に示したように、基板５上に絶縁層６を挟んで半導体層４が堆積されている。ここでは半導体層にＧｅを用いているために、いわゆるＧＯＩ構造となっている。この半導体層４は、エッチングにより幅が４００ｎｍ以下のナノワイヤ４構造となっている。これは、ナノワイヤ中に形成されるプラズマ波の波長が８００ｎｍであるため、単一横モードにするために半波長である４００ｎｍ以下とする必要があるためである。ナノワイヤを細くしてゆくにつれて、伝導している電子が表面散乱の影響を強く受けるようになり、電子電子散乱以外の散乱が顕著になってくる。そこで、ナノワイヤの幅は３ｎｍ以上にする必要がある。ナノワイヤ４の周囲は酸化ケイ素などによる絶縁膜７で覆って周囲の湿度などによる影響から保護している。絶縁膜７上にはナノワイヤ４と直行する方向にゲート電極１が形成されている。本実施の形態においては、半導体層にＧｅを用いているが、これはＳｉを用いた場合には有効質量が大きいために、プラズマ波の発生が不安定となるとともに、出力も小さくなるためである。従って、Ｓｉでは本実施の形態に示した特性の向上は認められない。Ｓｉより有効質量の小さいＧｅを用いることで初めて砒素を含まないＩＶ族系元素を用いたプラズマ波素子を実現できることがわかった。ドレイン電極間は容量結合部１０あるいはアンテナ素子１１を用いて、注入同期をかけている。その結果、ドレイン電極間が電磁結合（弱結合）される。特にこれらの場合、ドレイン電極間は強く結合しないで、弱結合される状態になる。これは、強く結合する場合はドレイン電極がＡＣ的に導通がある場合を意味しており、弱結合する場合はドレイン電極がＡＣ的には導通が無く相互に電磁結合していることを意味している。本発明のポイントは、このドレイン電極を弱結合とすることで各ナノワイヤに注入同期を行って、図４（ｂ）に示したように高い電磁波出力を得ることにある。
【００２１】
＜プラズマ波の出力のナノワイヤ本数依存性＞
ナノワイヤ４は、複数形成してよく、ワイヤの本数を多くするに従って電磁波の出力が増加する。ナノワイヤの本数は、１０本以上にすることで、ナノワイヤ間の共鳴によるＱ値の向上が確認される。ナノワイヤの幅を４００ｎｍ程度とした場合には、５００ｎｍの周期でナノワイヤを配置し、トータルのゲート幅Ｗtotalを１００μｍとした場合でも、ナノワイヤを２００本配置することができる。本実施の形態では、ナノワイヤの幅を２００ｎｍとしたが、この場合は出力を従来の１０倍程度である２５ｍＷとするにはナノワイヤの本数は１０本程度でよかった。
【００２２】
＜プラズマ波の出力のナノワイヤ幅依存性＞
図３（ａ）〜（ｃ）にナノワイヤ中での電子の分布を、図３（ｄ）に（ａ）〜（ｃ）のナノワイヤ構造のそれぞれの場所における電子密度の関係を示す。図３（ａ）に示したように、ナノワイヤの幅が２０ｎｍ以上の場合（ＷＬ）には、チャネル８がナノワイヤ４のゲート電極１側の側壁に形成される。一方、図３（ｂ）に示したように、ナノワイヤの幅を２０ｎｍ以下（ＷＳ）とすることにより、チャネルは側壁を離れ、電子密度が最大となる部分はナノワイヤの中心部分となる。その結果、電子密度は（ａ）の場合に比べて、２０％程度大きな値となる。さらに、図３（ｃ）に示したように、ナノワイヤ下部に導電層９を設けることにより、電子のとじこめを強くして電子密度を（ａ）の場合に比べて２倍程度に増加することができることがわかった。このように、ナノワイヤの幅を狭くすることにより、電子密度を増大することができ、電磁波の出力を電子密度に比例して増加させることができる。
【００２３】
ここで、電子密度を上げるためにナノワイヤの幅を２０ｎｍとしたが、この場合には出力を２５ｍＷとするにはナノワイヤが５０本程度必要であった。ゲート幅Ｗを広くして、本数を１０本以下とした場合には、電磁波の出力が増大するが、一方でナノワイヤ内部での電子密度の均一性が低下するなどしてＱ値が低下する。また、ナノワイヤを細くして本数を２００本以上に増やすにつれてナノワイヤの幅のばらつきによる位相のずれが顕著となる。従って、ナノワイヤは１０本から２００本程度が適当であった。ここで、ナノワイヤの幅が狭くたくさんの本数のナノワイヤが必要な場合ほど、位相のずれを矯正するために本発明のように注入同期を行う必要性が極めて高くなる。
【００２４】
本実施の形態ではナノワイヤの幅を２００ｎｍとしたが、ナノワイヤの幅を２０ｎｍとして電子密度を増大した素子の特性は実施の形態３で示す。
【００２５】
＜プラズマ波の出力のゲート電極本数依存性＞
図１(a)のＢ−Ｂ’断面を図２(c)に示したように、ゲート電極は８００ｎｍ程度のプラズマ波の周期Λで配置した。プラズマ波の利得の範囲内では、電極の周期Λを変化させることにより、周期と一致するようにプラズマ波の波長が変化する。従って、電極の周期を調整することでプラズモンの周波数や強度を変化させることができる。また、ゲート電極の幅（ゲート長）LはΛ／４である２００ｎｍとした。その結果、各ゲート電極下部に独立したプラズマ波が形成されて、プラズマ波の強度がゲート電極の数ｎｇに比例して増大することが明らかとなった。
【００２６】
図２を用いて、本発明と従来の発振素子の違いを詳しく説明する。図１０のような非特許文献１で示されている発振素子の構造の場合、ゲート電極１は１本であり、図２（ａ）のようにゲート電極１下部には複数の次数のプラズマ波が生成されている。この場合のプラズマ波の出力はつぎのようになる。
【００２７】
Ｐ＝ＣＵ０２Ｗν０α2                     （１）
ここで、Ｃはゲート電極下部の容量、Ｕ０はゲート電極下部においてチャネルに印加される電圧のＤＣ成分、Ｗはナノワイヤの幅、ν０は電子の速度、αはゲート電極に印加される電圧をＵ＝Ｕ０+Ｕ1exp(-iωt)として示したときの変調度α＝Ｕ１／Ｕ０  （＝ＡＣ成分/ＤＣ成分）で定義される。特許文献１や非特許文献２〜４には複数のゲート電極を有する素子が開示されているがいずれも図２（ｂ）に示したように、ゲート電極１下部には複数の次数あるいは１波長に満たないプラズマ波が形成されている。
【００２８】
ところで、式（１）の場合は、出力Ｐがゲート長Ｌ依存性を示さないことがわかる。しかしながら、本実施の形態では、この出力Ｐの式をゲート長Ｌの関数として次のように記述することで、出力がゲート長依存性を持つような記載が可能であることを明らかとすることができた。すなわち、
Ｐ＝（ＣＵ０２ＷＬ）・（ν０/Ｌ）・α2 ＝ Ｅ・ｎｍ・α2                    （２）
ここで、（２）式の右辺の積の第１項はゲート電極に蓄えられるエネルギーE = ＣＵ０２ＷＬとなり、第２項はゲート電極下部で行き来する電子の往復回数はｎｍ=ν０/Ｌとなる。電極を分割しても電極のトータルの長さＬは一定なので、電極に蓄えられるエネルギーＥは一定となる。一方、電極の個数ｎｇを増加させることにより、一個あたりの電極の長さはＬ/ｎｇとなり、電子の往復回数はｎ'ｍ=ｎｇ・ν０/Ｌとなる。その結果、
Ｐ'＝Ｅ・ｎ'ｍ・α2＝ｎｇ・Ｐ  
となり、電磁波の出力はｎｇ倍となることがわかった。ここで、各電極下部で電子が正確に往復するためにはゲート電極１のソース２側は短絡となり、ドレイン電極３側は開放となっている必要がある。そこで、ゲート電極はプラズマ波の波長Λの間隔で配置するとともに、ゲート電極１の長さをΛ/４とすればよいということがわかった。ゲート電極１の周期をΛ/２としなかったのは、それぞれのゲート電極１を並列接続するために、同じ位相の電界がゲート電極に誘起されている必要があるからである。ゲート電極１をこのように配置することにより、各ゲート電極下部で独立して電子の往復運動が生じて、プラズマ波が生成されるために、プラズマ波の強度Ｐ’を電極の本数分であるｎｇ倍とすることができるのである。
【００２９】
プラズマ波の屈折率を評価した結果、半導体層における電子濃度ｎｓが１０１2cm-2の場合には、屈折率neffが３００程度となることを明らかにした。これは、半導体中の光の屈折率が３程度であることからすれば、１００倍程度の極めて大きな値となっている。この知見が、プラズマ波素子のナノワイヤ構造を光学系の導波路としてとらえるという展開に結びついて、本願の基本的な考え方のベースができあがった。電子濃度ｎｓを２×１０１2cm-2へと大きくした場合には、屈折率の電子濃度依存性はΔneff/Δｎｓ=−６×１０-１2となるため、neffは２９４へと減少する。このように屈折率と電子濃度の関係が明らかとなったことから、半導体層中のプラズマ波の周波数を１THｚ以上にする場合には、プラズマ波の周期Λが0.8μｍとなり、ゲート電極はΛ/4である２００ｎｍ程度でよいことがわかった。従来最高速度を実現しているＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ ＨＥＭＴなどの場合であっても、ゲート長が２００ｎｍもあれば、ｆｔやｆｍａｘは３００ＧＨｚ程度と低くなってしまう。本実施の形態のプラズマ波発生素子では、ゲート長が２００ｎｍであっても１ＴＨｚ以上の電磁波を発生できるため、簡便なプロセスで超高周波を発生できるというメリットがある。
【００３０】
電磁波発生素子の作製方法の一例を図５に示す。Ｓｉ基板５上にＳｉＧｅ混晶４を成長した後、ＳｉＧｅとＳｉ基板の界面にＯ＋イオンを注入して酸化膜層６として高温アニールを行った後、表面１２を酸化する。その結果、Ｓｉと酸素が優先的に結合してＳｉＧｅ層内のＧｅ濃度が濃縮されて、ＳｉＯ２よりなる絶縁膜６および１２でサンドイッチされたＧｅ薄膜４（膜厚が2〜１０ｎｍ）よりなるＧＯＩ基板が作製される  （ａ）。次に、絶縁膜１２とＧｅ薄膜をナノワイヤ構造４となるように、幅が２００ｎｍで間隔が１１０μmのストライプ状にドライエッチングする（ｂ）。基板表面全体にＳｉＯ２よりなる絶縁膜７を堆積した後、レジストを塗布して電極部分を露光して除去し、銀を蒸着しリフトオフにより、ゲート長が２００ｎｍのゲート電極１を作製する（ｃ）。ソース電極２とドレイン電極３をリフトオフにより形成する（ｄ）。最後に図１(a)に示したように（図５には記載していない）、隣り合ったドレイン電極間に幅が１０μm程度の高インピーダンスの金あるいは銅の導線で接続して容量結合部１０を得る。この容量接合部１０の長さはナノワイヤの間隔である１１０μmとなるが、これは図１（ｃ）に示したように、導線の周囲の誘電率が４程度となることから、周波数が１．３THｚの電磁波の波長となっている。一方、ナノワイヤの間隔を半波長とすれば、チップ面積を半分に減らすことができる（ナノワイヤが１０本の場合は、トータルのゲート幅Wtotalは５００μｍ程度）。この場合、互いに隣同士のナノワイヤは反対の位相のプラズマ波が発生することになるが、位相が反転しているだけなので周波数は同一となり、単一モードでの発振が可能となる。ナノワイヤの間隔をより狭めるためには、高インピーダンスのドレイン電極間の導線を直線ではなく図１（ｂ）のフィルタ１３のようにジグザグに折り返しても良い。また、折り返す場合は、折り返し数や導線の間隔を調整することで、結合効率を変化させることができる。
【００３１】
図６に、本実施の形態の電磁波発生素子と非特許文献で示された素子との性能比較を行った結果を示す。有効質量ｍ*はＧｅを用いた場合、非特許文献１で使用しているＩｎＧａＡｓに比べて２０％程度大きくなってしまう。しかしながら、非特許文献１および２はいずれも砒素（Ａｓ）を使用していることから、砒素フリーにする場合には、有効質量がわずかに大きいがＧｅの使用が望まれる。非特許文献２の場合には、実効ゲート長Ｌｅｆｆが0.1μｍ以下となっており、バンドギャップが小さく、直接遷移であるためアバランシェ降伏が発生して電圧Ｕ０を0.08Ｖ程度しか印加できない。ここで、実効ゲート長というのは、ゲート電極の長さＬに対して、周囲に形成される空乏層の厚みδを含めてＬｅｆｆ=L+2δとしたものである。そのため、有効質量が0.042と極めて小さいにもかかわらず電磁波の出力は非特許文献１より小さくなっている。
【００３２】
一方、Ｇｅの場合は間接遷移であるため、0.5Ｖ程度電圧を印加しても動作が不安定となることは無い。その結果、非特許文献１と本実施の形態とはほぼ同じ電子のドリフト速度ｖ０の最大値となっている。トータルのゲート幅Ｗtotalは、従来は通常のＨＥＭＴ素子をベースとしているために100μｍ程度であるが、本実施の形態の場合には２００ｎｍ程度にナノワイヤ化している。図６の本願１にＷ＝２００ｎｍの場合の結果を示す。変調度αはいずれも0.5程度である。シートキャリア密度は、２００ｎｍ程度のナノワイヤの場合1０12ｃｍ-2程度となる。ゲート電極の長さＬｅｆｆは、プロセスの容易性を考えて２００ｎｍとした。デバイス長は５００μmとした。その結果、ゲート電極の個数は１本のナノワイヤあたり６２５個となる。ゲート電極の周期は、ゲート電極の長さの４倍である0.8μmとした。また、ナノワイヤの本数ｎnは１０本とした。その結果、非特許文献の出力P’が２ｍＷであるのに対して、本実施の形態（本願１）では２５ｍＷと１０倍以上となった。これは、導線を用いて注入同期を行ったことにより、位相の違いによるキャンセリングが抑制されたためである。また、共振器の性能を示すQ値も本実施の形態の場合は３となり、従来の１.２や１.８に比べておよそ２倍に増加した。このように、注入同期を行うことにより、Q値が向上することがわかった。
【００３３】
＜ナノワイヤの幅を４００ｎｍ以下とする理由＞
以上の説明では、半導体層をナノワイヤ構造とすることによるキャリア濃度の増大に関して説明を行った。この場合はナノワイヤの幅を２０ｎｍ以下とすることで大きな効果を得たが、ナノワイヤの幅が４００ｎｍ以下の場合でも従来のようなゲート幅が１００μｍである場合に対して高い優位性を持っている。４００ｎｍ以下のナノワイヤ構造とすることによるメリットを以下に説明する。本実施の形態では、周期的に配置した電極を用いることで出力の向上を確認したが、ナノワイヤ構造を有していない非特許文献１および２にこの周期的電極構造を用いた場合には、図７に示したように、プラズマ波の波面が大きく乱れることになる。以下、その理由について説明する。図７(a)に示したように、ゲート電極１とソース２を短絡することにより、半導体層に印加されるゲート電圧U0は、ソース側２で低く、ドレイン電極３側に行くにつれて大きくなっている。その結果、プラズマ波の速度ｓは
s = (eU0/m)1/2                                        (3)
で示されるように、U0と同様な傾向を示す。伝播しているプラズマ波の周波数ｆｐ（波長）は
fp = s / 4L                                         (4)
と表されるが、ナノワイヤ内ではｆｐは変化しないので、ｓが増加した分Lを大きくする必要がある。その結果、図７（ｂ）に示したように、プラズマ波の波面（点線で表示）は矢印で波面の方向を示したようにドレイン電極３にいくほど曲がることになる。プラズマ波は二次元電子ガス５４内を往復するため、二次元電子ガス内には複数の波面を持つプラズマ波が混在し、図７（ｃ)に示したようにモードが干渉しあって非常にたくさんのモードが存在することになる。このように、複数のモードが同時に存在した場合には、共鳴現象が生じにくく、Q値が低下してプラズマ波が不安定になるという問題があった。しかしながら、図７（ｄ）に示したように、ナノワイヤの幅を半波長である４００ｎｍ程度に狭くしてナノワイヤ形状４とすることにより、横方向のモードは１つしか存在できなくなる。また、図７（ｄ）に示したように、波面が曲がることができなくなるために、ナノワイヤ全体で見ると部分的にプラズマ波の結合係数は低下するものの複数モードの発生は起こらない。その結果、安定したプラズマ波の発生が可能となる。このように、本実施の形態においてはナノワイヤの幅を２０ｎｍと２００ｎｍの２種類について示したが、ナノワイヤの幅をプラズマ波の波長の半分以下とすることにより、ゲート電圧の不均一性の影響を受けないプラズマ波の発生が可能となり、複数の電極によるプラズマ波の増大が可能となった。
【００３４】
＜ナノワイヤの本数とＱ値の関係＞
ところで、複数のナノワイヤを平行に配置した場合、ゲート電極およびドレイン電極によって各ナノワイヤ内の電磁波が結合することになる。その結果、ナノワイヤ全体にわたって同じ位相のプラズマ波が形成されて、著しく高いＱ値が得られる。すなわち、ゲート電極の周期に対応した周波数において極めて線幅の狭い電磁波が発生する。非特許文献１および２に示された電磁波発生素子の場合には半導体層が分割されていないので、複数の共振器に対して同期をとる構造になっていない。式（２）では、電磁波の強度として、電磁波の周波数に対する積分強度を示しているが、このように高いＱ値が得られた場合には、特定の周波数における電磁波のピーク強度PPはＱ値が低い場合に対して極めて大きくなる。例えば、ｎｎ本程度のナノワイヤにおいて同期をとった場合にはPP∝√ｎｎの強度になると考えられるので、１００本のナノワイヤの場合にはピーク強度においては１本の場合に対して、１０倍の電磁波ピーク強度が得られることがわかった。
【００３５】
図６において、Ｑ値を
Ｑ=sτ√nn/Leff
で示したように、ナノワイヤ化してゲート電極の長さがΛ/4となるゲート電極を周期的に配置した電磁波発生素子において、ドレイン電極間で注入同期をとることにより、出力およびＱ値を１０倍と３倍程度に改善できることがわかった。また、プラズマ波の周波数ｆｐは１.３ＴＨｚとなり、非特許文献１と同程度の値となっており、ゲート長が２００ｎｍであっても１ＴＨｚ以上の電磁波を発生できるため、簡便なプロセスで超高周波を発生できることがわかった。
【００３６】
なお、本実施の形態において、ゲート電極として銀を含む多層膜としたが、プラズマ波が生じやすい材料であれば金やチタンやクロムなどの他の金属としても良い。
【００３７】
（実施の形態２）  ＜アンテナ素子を用いた場合＞
実施の形態１では、ドレイン電極間に高インピーダンスの導線を設置することにより注入同期を行っていたが、この場合相互に電磁結合できるドレイン電極の間隔は最も離れている場合でも４本程度であった。しかしながら、図１(b)に示したようにドレイン電極に１／４波長程度の金属ワイヤを形成することで、アンテナ素子１１として機能するため、少なくとも１０本程度はなれたアンテナ素子間でも注入同期が可能であることがわかった。図１(ｂ)では、ドレイン電極３の間はローパスフィルター１３で結合しており、ＤＣのドレイン電圧を印加できるようにしている。その結果、それぞれのナノワイヤ４を独立に動作させることが可能となっている。一方で、アンテナ素子１１によりドレイン電極３は相互に結合している。実施の形態１の場合には同一位相のナノワイヤの塊が存在する場合には充分にキャンセリングを抑制できなかったが、本実施の形態の場合には、充分はなれたナノワイヤとも電磁結合できるために、充分にキャンセリングを抑制することができることがわかった。
【００３８】
また、実施の形態１の場合には、電磁波の半波長の場合でもナノワイヤの間隔を５５μｍ程度に離す必要があったが、本実施の形態の場合、ダイポールアンテナとなっているため、アンテナ素子の間隔に関わらず電磁結合するためにナノワイヤをより密に配置することができるというメリットがある。本実施の形態では、ナノワイヤを２μｍの間隔で５０本配置して、トータルのゲート幅を１００μｍとすることができることがわかった。
【００３９】
本実施の形態の素子の作製方法を以下に示す。ソース電極とドレイン電極を作製する図５(d)までは、実施の形態１と同じである。その後、１００μm程度のレジストで全体を埋め込んだ後、ドレイン電極３上のレジストに直径が１０μm程度の穴をドレイン電極に到達するまで形成する。本レジストは、フィルム上の厚膜のレジストを密着することで形成して、コンタクト露光で露光したのち、現像することで、高アスペクト比のレジスト形状を形成できる。最後に、ドレイン電極から電界メッキによりレジストの穴の中に金を堆積させ、直径が１０μm程度で長さが８０μｍ程度の金のアンテナ素子１１を形成して電磁波発生素子を得る。
【００４０】
さらに、ドレイン電極から放射された電磁波をゲート電極に結合させる電磁波発生素子の構成を図８に示す。図８（ａ）の構造の場合は、ゲート電極をローパスフィルター１３で接続している。その結果、ゲート電極同士は位相が反転していても良い状態となる。しかしながら、ドレイン電極３に形成されたアンテナ素子１１と弱結合することにより、ドレイン電極の位相と同位相でゲート電極が振動する。その結果、ゲート電極全体が同一位相で動作することになる。さらに、図８（ｂ）の構造とすることにより、ゲート電極同士の結合を増加することができる。また、ゲート電極とドレイン電極との結合も増加することができる。その結果、より安定してゲート電極にドレイン電極と同一位相の電磁波を結合することが可能となる。
【００４１】
（実施の形態３）  ＜ナノワイヤの幅が２０ｎｍ以下の場合＞
実施の形態１ではナノワイヤの幅を２０ｎｍ以上としたが、ナノワイヤの幅Wを２０ｎｍ以下とした場合は、さらに電磁波の放射効率が向上する。電磁波の強度を本願２に示す。以下に、ナノワイヤの幅とプラズマ波の強度に関して詳しく説明する。
【００４２】
実施の形態１では、ナノワイヤの幅を２００ｎｍとしたが、ナノワイヤの幅を小さくしていくに従って、ナノワイヤ中の電子密度ｎｓ＝CU0/eが増加する。一方、プラズマ波の強度は電子密度の関数として次のように表される。
【００４３】
Ｐ ＝ ＣＵ０２Ｗν０α2 = e ns U0 Wν0 α2                   (５)
式（５）から、電子密度nsに比例してプラズマ波の強度Ｐが増大することがわかる。ここで、図３を用いて電子密度の形状依存性に関して、再度詳しく説明する。ナノワイヤ４の幅を変化させた場合（ａ〜ｃ）の電子分布を示す。実施の形態１に示したように半導体層の幅を２０〜４００ｎｍとした場合は、キャリアは電極側であるナノワイヤ４―絶縁膜７界面に集中してチャネル８が形成される（ａ）。一方、本実施の形態のように、ナノワイヤ４の幅Ｗを２０ｎｍ以下にすることにより、キャリアはナノワイヤ４の中心付近で最大値を持つようになる（ｂ）。その結果、図３（ｄ）で示したように、電子密度ｎｓは（ａ）で示した実施の形態１に対して（ｂ）のほうが２０％程度大きくなった。さらに、基板５の表面をドーピングして導電層９を形成すると、基板側にもポテンシャル壁が形成されて電子の閉じ込めが強くなる。その結果、ナノワイヤのより中心付近に電子が集まることになり、（ｃ）に示したように電子密度が実施の形態１に対して２倍程度に増加する。このように、ナノワイヤ４の幅を小さくすることにより電子密度を増加させることができた。
【００４４】
ここで、本実施の形態のように電子の分布がチャネル内部に閉じ込められた場合には半導体層の中心部に電子密度のピークが位置するために、プラズマ波は３次元の分散関係を持つと一般的には考えられるが、プラズマ波の分散の検討を行った結果、本実施の形態のようなナノワイヤの場合にはプラズマ波は１次元の分散関係を持つことが明らかとなった。さらに、１次元の分散関係は実施の形態１で示した２次元の分散関係と等価であることを明らかにすることができた。２０ｎｍ以下のナノワイヤであっても式（５）を適応することが可能であり、プラズマ波の強度が電子密度に比例することがわかった。その結果、実施の形態１の２倍程度のプラズマ波強度が得られることを明らかにすることができた。
【００４５】
式（５）より、電子密度を大きくするほどＣが大きくなり、出力Ｐが大きくなるため、ナノワイヤ４の幅Ｗを小さくすることで単位ナノワイヤ幅あたりのプラズマ波の出力を増大できる。ただし、ナノワイヤの本数を一定としてナノワイヤ４の幅Ｗのみを小さくすると式（５）からわかるように、プラズマ波のトータルの強度が低下する。そこで、トータルのプラズマ波の強度を強くするために、ナノワイヤ４の幅を小さくした分、ナノワイヤ４を平行に複数個配置する必要がある。ナノワイヤの幅Wを２０ｎｍとした場合は、キャリア密度ｎｓが実施の形態１（本願１）の場合の２倍となる。その結果、ナノワイヤの幅が１／１０になった分、ナノワイヤの本数を１０倍にしなければならないところが、図６の本願２に示したように、５倍としただけで２５ｍＷを得られることがわかった。このときのＱ値は６．７となり、Ｑ値に関しても本願１にくらべて２倍以上に増加させることができた。
【００４６】
（実施の形態４）  ＜外部共振構造を用いた場合＞
実施の形態１から３に示した電磁波発生素子の電磁波の線幅をより狭くして、ピーク強度PPを大きくするために、電磁波発生素子から放射された電磁波を外部で反射して再度アンテナ素子で結合することにより、Ｑ値をさらに上げることができる。図９に反射板２０よりなる空洞にプラズマ素子２２を設置しておく。反射板とプラズマ波素子の間隔を電磁波の波長をλとしたときの半分であるλ/２（２３）とすることにより、電磁波がプラズマ素子と結合する。ここで、電磁波の放射波２５を空洞から取り出す部分に多孔構造２６を形成していることにより、多孔構造で決まる特定の波長の電磁波のみ空洞から外部に取り出すことができる。この、多孔構造は、穴径を電磁波の波長の１/３程度とすることにより電磁波のスペクトル線幅を１/５程度とすることができる。多孔構造を透過できない波長の電磁波はすべて多孔構造により反射されるため、空洞内に大きなエネルギーが蓄積される。その結果、放射波の強度は電磁波の線幅が減少した分増大するため、プラズマ素子を単体で使用する場合に比べて５倍程度にピーク強度PPが増加することがわかった。本実施の形態で使用するプラズマ素子は、外部の電磁波と結合しやすい実施の形態２で示した構造が望ましい。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明にかかる電磁波発生素子は、複数のナノワイヤ半導体層と周期的ゲート電極を有し、ドレイン電極に注入同期を行うことで、ナノワイヤのばらつきに依存しない電磁波出力が得られる１ＴＨｚ程度の発振素子等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子の概略図
【図２】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子のプラズマ波出力とゲート電極の長さの関係図
【図３】本発明の実施の形態１および３における電磁波発生素子の電子密度の説明図
【図４】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子のプラズマ波強度の説明図
【図５】本発明の実施の形態１における電磁波発生素子の製造方法の説明図
【図６】本発明の実施の形態１および３における電磁波発生素子の特性表を示す図
【図７】本発明の実施の形態１および３における電磁波発生素子のプラズマ波の波面の説明図
【図８】本発明の実施の形態２における電磁波発生素子の概略図
【図９】本発明の実施の形態４における電磁波発生素子の概略図
【図１０】従来の電磁波発生素子の概略図
【図１１】従来の電磁波発生素子の概略図
【図１２】従来の電磁波受信素子の概略図
【図１３】従来の注入同期を行う回路の概略図
【図１４】従来の注入同期を行う導波管の概略図
【符号の説明】
【００４９】
１    ゲート電極
２    ソース電極
３    ドレイン電極
４    ナノワイヤ
５    基板
６    絶縁膜
７    絶縁膜
８    チャネル
９    導電層
１０    容量結合部
１１    アンテナ素子
１２    絶縁膜
１３    フィルタ
２０    反射板
２１    放射孔
２２    プラズマ素子
２３    λ/２
２４    反射波
２５    放射波
２６    多孔構造
５１    ゲート
５２    ソース
５３      ドレイン
５４    二次元電子ガス
５５    基板
５６    クラッド層
５７    バリア層
６１    遅波回路
６２    電子層コンタクト
６３    正孔層コンタクト
６４    二流体層
６５    入力部
６６    出力部
７１    ゲート
７２    ソース
７３    ドレイン
７４    第１の量子井戸
７５    第２の量子井戸
７６    二次元電子ガス
７７    基板
７８    バリア層
７９    バリア層
８１    発振器
82    結合回路
83    アンテナ
84    共振器
85    発振素子
86    フィードバック容量
87    出力マッチング回路
91    基本モード導波管アレイ
92    オーバーモード導波管
93    反射板
94    基本モード導波管
95    第１のインピーダンス整合器
96    第２のインピーダンス整合器
【図１】
2006237313.tif 000003
【図２】
2006237313.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006237313.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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